OFDM基带处理系统的设计与实现

李温娜，李 环

(沈阳理工大学信息科学与工程学院，辽宁沈阳110159)

正交频分复用(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术是对多载波调制(MCM)的一种改进，其特点为各子载波相互正交，扩频调制后的频谱相互重叠，不但减小了子载波间的相互干扰，还大大提高了频谱利用率。特别是该系统能很好地对抗频率选择性衰落和窄带干扰，因此OFDM已成为实现未来高速无线通信中最核心的技术之一。与此同时，随着半导体技术、数字信号处理技术的发展，利用FPGA实现基带信号的处理成为近年来开发的热点。人们也逐步尝试利用 FPGA实现调制解调模块［1］，OFDM系统的FPGA实现自然而然成了关注的焦点。现在很多基于FPGA的OFDM系统只是实现基本的调制解调模块，传输性能较差，而本设计从系统级上划分各个功能子模块并加入了新的功能处理模块，在优化系统传输性能的同时也降低了系统的复杂度。

1 OFDM基本原理

一个OFDM符号之内包含多个经过相移键控(PSK)或者正交幅度调制(QAM)的子载波。一般地，OFDM的等效低通信号可以表示为一组并行传输的调制载波信号，若retc(t)=1，|t|≤T/2，则从t=ts开始的OFDM符号可以表示为

式中:N为子载波的个数;T为OFDM符号的持续时间(周期);di(i=0，1，2…，N-1)为分配给每个子信道的数据符号;fi为第i个子载波的载波频率。

一旦将要传输的比特分配到各个子载波上，某一种调制模式就将它们映射为子载波的幅度和相位，通常采用等效基带信号来描述OFDM的输出信号，见式(2)

式中，S(t)的实部和虚部分别对应与OFDM符号的同相(In-phase)和正交(Quadrature-phase)分量，实际中可以分别与相应子载波的余弦分量和正弦分量相乘，构成最终的子信道和合成的OFDM符号，OFDM系统数学模型的框图如图1所示。在接收端，将同相和正交矢量映射回数据信息，完成子载波解调［2］。

从上述表达式及框图可见，要实现一个OFDM传输系统，需要一组振荡器产生N个子载波，接收端也需要对N个子载波进行同步，显然，当N非常大时，系统的硬件构成将非常庞大而且不经济。1971年，Weinstein和Ebert将DFT技术引入OFDM 系统，使OFDM 变得经济实用［3］。

图1 OFDM系统基本模型框图

假定式(2)中ts=0，且忽略矩形函数，对信号s(t)以T/N的速率进行采样，即令t=kT/N(k=0，1，…，N-1)，可得

接收端的解调过程可以用FFT来实现，

采用简单实用的IFFT、FFT模块实现了多载波的调制解调过程，大大简化了OFDM硬件结构的复杂度。

理想的OFDM系统采用多进制、多载频、并行传输使传输码元的持续时间大为增加，从而提高信号的抗多经传输能力，在符号中加入保护间隔和循环前缀消除由多径时延扩展引起的符号间干扰(ISI)，但是在具体的OFDM系统中，还应该考虑具体系统的实际问题，本设计在理想OFDM系统的基础上添加相应的功能模块，从而进一步优化系统性能。

2 OFDM基带系统的设计与实现

2.1 OFDM系统的基本结构

针对OFDM系统所要工作的信道特点以及系统的具体实际问题，给出了优化后的OFDM无线通信系统的整体设计架构。

图2为一个比较完整的OFDM通信系统框图，上半部分为发送部分，下半部分为接收部分，该部分的处理流程与发送端是个相反的过程，首先通过信道中获取信号，然后经过一个与发送部分相反的处理过程，最后得到解调输出的结果。图中扰码模块可以避免如经常出现长的“0”或“1”这种数据对于接收机定时的不利影响［4］，同时可以实现PAPR抑制。信道编码是为了保证通信系统的传输可靠性，克服信道中的噪声和干扰而专门设计的一类抗干扰技术和方法，导频的插入可以使接收机对信道及参考相位进行不断追踪，然后进行相位补偿，同步对于任何数字通信系统来说都是根本的任务，没有精确的同步算法就不能对传送的数据进行可靠的接收，本设计中的同步模块采用基于Van de Beek等人提出的基于循环前缀的联合同步算法［5］较好地实现了接收信号的同步处理［6］，信道估计采用基于导频的方式实现［7］。

图2 系统整体设计架构

2.2 OFDM基带系统的设计与实现

从另一个角度来看，整个系统也可以被分为基带处理部分和射频部分，前者对数据进行一系列必要处理，使其更加适合信道的传输，后者用来完成基带信号和高频载波之间的转换，本设计主要完成基于FPGA的OFDM系统基带信号处理。用FPGA实现的OFDM基带收发模块是一个相当复杂的系统，需要使用单片含有数十万乃至数百万个门的大规模FPGA芯片，庞大的系统需要科学的设计方法才能减少出错，本文采用自顶向下的设计概念［8］。基带OFDM系统的自顶向下的设计如图3所示。

图3 OFDM基带处理系统自顶向下设计图

在这个设计图中，节点对应着该层次上基本单元的行为描述，在不同的层次都可以进行仿真以对设计思想进行验证。在FPGA上实现的OFDM基带系统分为发送和接收两个子系统。

发送端由一个整体控制模块协调控制各个子模块的工作，主时钟频率设计为40MHz，整体采用同步时序逻辑，对各个模块进行综合、布局，最终由加CP模块端口输出的数据波形仿真图如图4所示。

图4 发送端数据输出波形

添加循环前缀使得每个Symbol的后16个数据与前16个数据相同，图中为四个Symbol的仿真结果，输入每个 Symbol为64个数据，每两个Symbol之间间隔16个时钟，输出为每个Symbol为80个数据，并且连续输出，每次连续输出数据位80位，构成一个完整的OFDM信号。

接收端同样由一个整体控制模块协调控制各个子模块的工作，在整个系统的设计主频率为40MHz，A/D的采样速率设定为1M，对各个模块进行综合、布局、布线后输出信号见图5。

图5 接收端数据输出波形

其中inSymCount为当前传输的symbol的序号，用于分辨不同的帧，从图中看出，当Symbol序号为3时不进行解扰操作，而当Symbol序号为4的数据到达时，解扰模块开始为数据进行解扰处理，解扰后输出数据，每个时钟并行输出8位，由输出数据分析可知该系统设计是完全切实可行的，并且很好的实现了信号的同步处理。

3 结束语

OFDM采用FFT/IFFT实现调制解调，可以采用FPGA实现。采用添加循环前缀的技术，能有效降低 ICI(信道间干扰)和 ISI(码间干扰)。本文对早期模型进行了改进，添加了同步、加扰、导频插入等功能模块建立了新的系统模型，采用自顶向下的概念设计一个基带OFDM系统，使用Quartus II9.0完成了整个OFDM基带处理系统的设计、仿真和实现，很好地实现了信号的同步处理及传输。

［1］刘佳.基于FPGA的OFDM调制解调器的设计与实现［D］.上海:东华大学，2007.

［2］彭木根，王文博.下一代无线通信系统 OFDM与WIMAX［M］.北京:机械工业出版社，2008.1.

［3］F.Draffara，O.Adami.A New Frequency Detector for Orthogonal Multicarrier Transmission Teehniques［C］.ProeeedingsofIEEE VehicularTechnology Conferenee，Chieago，IL，1995:804-809.

［4］史治国，洪少华，陈抗生.基于 XILINX FPGA的OFDM通信系统基带设计［M］.浙江:浙江大学出版社，2009.

［5］JAN-JAAP VAN DE BEEK，MAGNUS SANDELL，PER OLA BORJESSON.ML Estimation of Time and Frequency Offset in OFDM Systems［J］.IEEE Trans.on Signal Processing，1997(45):1800-1805.

［6］Juha Heiskala，John Terry.OFDM Wireless LANs:A Theoretical and Practical Guide［M］.SAMS，2002.

［7］尹长川，罗涛，乐光新.多载波宽带无线通信技术［M］.北京:北京邮电大学出版社，2004.

［8］周润景，图雅，张丽敏.基于 Quartus II的 FPGA/CPLD数字系统设计实例［M］.北京:电子工业出版社，2007.